CFETR极向场磁体PF4和5过渡馈线区域外筒初步设计与分析

魏辉翔 王文善 李仁杰 张彪 马强

摘要：杜瓦外过渡馈线区域（CFT）是CFETR（中国聚变工程试验堆）磁体馈线系统不可缺少的组成部分。极向场磁体馈线系统（PF）中第四、五两条馈线由于杜瓦内外空间限制，其CFT结构不同于其他五条，而是设计成“L型”。文中介绍了PF4和5 CFT外筒功能性要求及主要设计参数。利用 ANSYS 有限元软件，在系统运行状态下对PF4和5 CFT外筒进行结构强度校核，得到CFT外筒的应力应变分布云图。结果表明，PF4和5 CFT外筒的最大应力应变均保持在允许的范围内，结构设计合理可靠。

关键词：CFETR;PF4和5馈线;CFT外筒;初步设计与分析

0  引言

我国力争在2035年建成中国聚变工程试验堆（Chinese Fusion Engineering Testing Reactor，CFETR），进行相关的物理研究，是我国核聚变研究工作中重要的一环，为本世纪中叶建设商业聚变示范电站打下坚实的基础[1]。

磁体馈线系统为整个装置提供电能、超低温环境、信号控制及反馈等功能，其中CFT结构是单条馈线系统重要组成部件之一。CFT作为过渡连接装置，前端连接着线圈终端盒（CTB），尾端连接着GIMBALS和杜瓦内馈线区域（ICF），为托卡马克装置输送大功率电能、超低温冷却液等，并传送内部仪器仪表反馈的数据。作为屏蔽保护装置，穿过生物屏蔽层，为内部电流引线、数据采集系统和输送管道系统等提供真空和超低温的工作环境。CFETR单条馈线PF4结构如图1所示。本文根据CFETR磁体运行要求及杜瓦内外可行空间，建立了馈线系统PF4和5 CFT外筒三维模型，并对其进行结构静力学强度校核，以验证结构设计的可靠性。

1  PF4和5 CFT外筒结构设计

CFETR PF4和5馈线系统CFT外筒主要包括主真空外筒、真空隔断处外筒、波纹管和重力支撑等，为内部部件冷屏、管路系统等提供工作保护层，结构如图2所示[2]。

外筒设计成横卧式圆筒状，不仅可以提高壳体的承载能力，而且增强了整体的稳定性，便于安装。真空外筒均由单层SS304不锈钢板卷焊而成，真空隔断处外筒内径996mm，壁厚10mm，筒长840mm;“L型”主真空外筒内径840mm，壁厚12mm，水平段外筒长9784mm，竖直段筒长1575mm。真空外筒直接与外部环境接触，为内部装置提供了安装框架及真空密闭、超低温的工作环境。

2  CFT外筒结构强度校核

外筒是内部部件的支撑框架和安全保护层，承载所有的重力载荷，为内部管路提供真空环境，外筒的结构设计合理可靠是整个CFT部件正常运行的基本条件。利用有限元软件ANSYS Workbench进行强度校核，相关载荷设置及边界条件如下所示[3]：

①外筒体内部处于真空环境，在外筒表面施加0.1MPa的压力;

②波纹管、内部结构等部件结构复杂，将其省略，省略部分质量约2000kg，为保证分析结果准确，在筒体内壁施加2吨的重力;

③在重力方向上增加7吨的裕度;

④重力支撑座底面完全固定。

外筒有限元分析应力应变云图如图3所示。

CFT外筒结构强度分析结果如表1所示。根据分析设计法中一次薄膜应力（Pm）加一次弯曲应力（Pb）不大于1.5倍的许用应力（[σ]）准则[4]：

最大应力出现在外筒表面与中间重力支座接触的地方，对该处进行应力线性化得到Pm+Pb值，为54.5 MPa，小于1.5[σ]，则外筒強度结构可以满足正常运行时的要求。通过分析可知，最大变形量出现在主真空外筒上表面，为0.86mm。外筒是整个CFT的主要支撑部件，为保证设备正常稳定运行，在正常状态下变形量小于设计许用值5mm。因此外筒的结构强度满足设计要求。

3  结论

论文根据CFETR杜瓦内外可行域及馈线空间布局，建立了CFETR 馈线系统PF4和5 CFT“L型”外筒三维模型，简化了整条馈线结构。在正常运行的状况下，对外筒进行结构静力学分析，得到了外筒的受力情况及变形量，分析结果表明馈线系统PF4和5结构设计合理可靠，可以满足正常情况下设备运行的需要。

参考文献：

[1]高翔，万宝年，宋云涛，等.CFETR物理与工程研究进展[J].中国科学：物理学 力学 天文学， 2018，49（4）：7-14.

[2]蒋新鹏.ITER纵向场磁体过渡馈线系统的设计与分析[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[3]王志滨，宋云涛，李长春，等.ITER纵场磁体过渡馈线结构力学分析[J].原子能科学技术，45（4）：436-442.

[4]刘红芳.API Spec 6A 标准中应力强度准则分析探讨[J].机械工程师，2015（03）：233-234.

作者简介：魏辉翔（1994-），男，河南信阳人，在读硕士研究生，研究方向为有限元分析与仿真。